高压条件下钛合金材料组织演变及力学性能研究

（湖南劳动人事职业学院，湖南 长沙 410100）

钛元素相对原子质量为47.9，原子序数为22，在高温稳定状态下，即在880℃～1600℃之间为立方晶格结构；在低温稳定状态下，即在小于880℃时为密排六方结构。其中前者称之为β钛，后者称之为α钛。两个相下的常数分别为0.328μm和0.295μm。钛材料的致密度为0.7405，具有密度小、强度高、硬度高、耐化学腐蚀性强、吸气性能高、弹性模量低以及优异的常、高温力学性能等特点，可以很好的应用到军事领域以及化工领域中[1-2]。此次研究以钛合金金相状态为研究前提，参考现有的检测方法，分析高压条件下，钛合金材料组织演变及力学性能。

1 提取钛合金金相状态特征

为了得到钛合金材料的力学性能，采用两种状态的钛合金，进行组织演变分析。

（1）原始态组织。原始态组织下选择的TA15钛合金组织，其板材厚度为2mm。根据原始板材的金相组织图像可知，此类型原始板材包括α和β两相，其中α相的颜色较为鲜明，β相的颜色较为暗沉。同时β相主要分布在α晶界处，从板材的整体来看，呈均匀分布状态。在高温高压测试条件下，钛合金材料轧制变形，材料内部内应力比较大，导致晶粒晶界腐蚀处难以辨别，因此通过EBSD分析手段，进一步研究钛合金材料的微观组织特点。

在原始材料的反极图中，明确标出α相和β相的晶粒形貌。根据测试结果可知，TA15钛合金组织没有经过充分的再结晶退火，且其内容存在大量变形组织，因此可以断定在高温高压条件影响下，轧制过程时材料发生了动态再结晶的现象，当晶界处的再结晶晶粒长大时，又发生了塑性变形，导致材料内部产生位错，形成独特的小角晶界，最终形成如下图1中（a）所示的组织形态。

图1 原始态、退火材料反极图

从上图中还可以看出，许多相晶粒都为红色，说明原始态组织中存在较为明显的织构，至此完成对原始态组织钛合金材料的金相分析。

（2）退火态组织。退火态组织下的钛合金，要求真空退火温度控制在900℃上，同时要求其保温时效为24小时。当炉冷降低至800℃时，再继续保温24小时。退火后的钛合金材料组织，同样分为两个不同的部分，其中颜色较亮的部分为材料α相，颜色较暗的部分为材料β相。β相主要分布在晶界处且形态极为细小。与退火之前相比，材料的晶界腐蚀状态直观差异巨大，说明在高压退火过程中，钛合金材料中的元素充分扩散，其中α相中的稳定元素为Al，β相中的稳定元素为Mo和V，同时都含有中性元素Zr。轧制操作完毕后，材料内部元素的扩散条件不足，有一些β相中的稳定元素，滞留在α相中，致使α相和β相的致晶界模糊不清，同时此阶段种元素Mo和V向晶界处移动，致使材料出现再结晶现象，形成退火后的稳定等轴结构组织，此时的β相弥散分布在晶界处。

根据退火后钛材料的反极图分布状态可知，充分再结晶后的钛合金材料，其内晶粒大小以及分布状态更加均匀，其晶粒大小由原始态组织下的3.2μm，增加到7.2μm，而β相含量的变化并不显著。说明此时的材料错密度状态较低，轧制引起的变形组织，已经被全部消除。图1（b）所示结果，就是退火后的材料反极图。根据（b）可以看出，退火后的材料依旧保持退火前的织构，不过此时的织构强度已经下降，且不再产生新的再结晶织构。通过上述对原始态组织、退火态组织的分析，提取钛合金金相状态特征。

2 计算钛合金材料组织演变速率

根据目前的研究结果，可知高压条件约束下，钛合金材料组织演变速率不一，因此从两个角度上，分析疲劳裂纹扩展速率：一项为与循环载荷相关的疲劳项，另一项为保载时间及载荷相关的保载项，计算表达式为：

而此次研究以上述公式为研究前提，设置两个研究角度分别为：与循环载荷相关的疲劳项、与时间相关的保载项。因此引入保载时间t，同时结合最大保载应力水平影响裂纹扩展速率的物理量λ，得到全新的公式：

公式中：x表示裂纹长度；M1、M2分别表示与疲劳循环载荷、相关的材料常数；ΔK表示断裂动态变化值；ΔK1、ΔK2表示小裂纹扩展门槛、长裂纹扩展门槛值；m1、m2分别表示疲劳循环载荷、保载部分相关的，裂纹扩展速率曲线的斜率；n1、n2分别表示疲劳循环部分、保载部分的影响能力；Kmax表示最大应力强度因子；Kmin表示最小应力强度因子；K0表示钛合金材料断裂韧性；H表示裂纹尖端弹塑性修正因子；φ1表示材料的流变应力；φ2表示材料屈服应力；b 表示无效裂纹值；R表示疲劳循环载荷应力比。

通过上述计算发现，对于给定的应力峰值，随着保载时间的增加，钛合金材料的保载疲劳寿命随之降低，当保载时间到达一个定值后，接近一条渐近线，由此可知，钛合金的寿命随着保载时间的增加而降低，但该降低不是线性递减的，而是呈指数降低趋势。因此为了准确计算钛合金材料组织演变速率，根据此次分析的保载时间，对疲劳裂纹扩展行为的影响，修正上述公式（3）公式（4）以及公式（5），通过加入与保载时间相关的参数η，加强上述公式进行影响分析，可以准确预报保载时间与裂纹扩展行为之间的关系。需要注意，要求该参数η大于0小于1。

3 测试高压条件下的钛合金力学性能

通过上述过程，计算钛合金材料组织演变速率，然后测试高压条件下的钛合金力学性能。为了保证测试结果的真实性和准确性，设置其他四个测试稳定，高压温度条件分别为940℃、960℃、970℃以及980℃，同样固溶24小时，在空冷条件下，分析不同固溶温度对上述三个参数的影响。下表1为高压条件下，固溶温度为950℃时，钛合金时效处理制度。

表1 钛合金时效处理制度

残余应力消除测试中，力学性能检测试样的标距为20mm。在SANS-CMT5303微机控制电子万能试验机上，对制备的拉伸试样进行检测，将该设备的加载速度，控制在1mm/min。再设置硬度和冲击韧性测试条件。此阶段的测试在显微硬度仪上进行，首先将钛合金试样进行打磨抛光，然后设置仪器的保荷时间为5s，加载负荷为500N，取平均值作为该试样的硬度值，在型号为SANS–ZBC2302-4的冲击试验机上进行硬度和冲击韧性检测。表2、表3为不同固溶温度条件下，钛合金材料的微观组织变化情况。

表2 不同固溶温度下的钛合金微观参数变化（一）

表3 不同固溶温度下的钛合金微观参数变化（二）

根据表1与表2中的数据可知，高压条件下，固溶处理的冷却速率和固溶温度，影响钛合金强度和塑性，同时也影响钛合金冲击韧性。至此在高压条件下，实现对钛合金材料组织演变及力学性能的检测与分析。

4 结束语

随着国家各项技术的开发，对于钛合金的利用范围、利用方式以及利用效率，都在不断增加，因此对于具有钛合金硬件、结构等设备的保护是十分必要的。此次研究通过上述分析过程，实现了在高压条件下，对钛合金基本性能的研究。此次研究的创新性，针对钛合金材料的保载疲劳裂纹扩展行为，进行了详细分析，通过裂纹扩展速率计算公式，获取影响钛合金组织演变的基本参数，为测试材料力学性能，提供更加全面的研究数据。今后的研究工作中，可以在水下进行测试，同样满足高压测试条件，为钛合金材料的制备与设计，提供多样化的实验数据。